Einleitung
Bekannte Dämmstoffe wie Mineralwolle oder Polymerschäume werden in der Regel mit einer hohen Dicke (mehrere Zentimeter) hergestellt, um den geforderten U-Wert für die Wärmedämmung von Gebäuden zu erfüllen. Ein geeignetes Messgerät zur Bestimmung der WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit λ ist das Wärmeflussmessgerät HFM 446 LambdaMedium (Abbildung 1). Dämmstoffe werden aber auch in anderen Bereichen und mit anderen Dicken eingesetzt, wie zum Beispiel in der Wärme- und Schalldämmung von Fußböden. Die Dicke solcher Dämmmaterialien beträgt oft nur wenige Millimeter. Anhand der folgenden Messungen kann gezeigt werden, wie solche dünnen Materialien mit dem HFM 446 LambdaMedium erfolgreich untersucht werden können.
U-Wert
Der U-Wert gibt den Wärmestrom durch ein Bauteil abhängig vom Temperaturgefälle zwischen warmer und kalter Seite in der Einheit [W/(m2·K)] an. Die Einheit beschreibt die hindurchströmende Energie durch 1 Quadratmeter aufgrund eines Temperaturunterschiedes von 1 Kelvin. Dieser Wert charakterisiert die Dämmeigenschaften eines Bauteils; praktisch bedeutet dies: je geringer der U-Wert, desto besser ist die Dämmwirkung. Je höher der U-Wert, desto schlechter ist die Dämmwirkung. Das Gebäude verliert dann mehr Wärme an kalten Wintertagen.
Messmethode
Durch ein zu messendes Material wird zwischen zwei Platten ein Temperaturgradient eingestellt. Mit zwei hochgenauen Wärmeflusssensoren in den Platten wird der Wärmestrom in das Material bzw. aus dem Material heraus gemessen. Ist der Gleichgewichtszustand dieses Systems erreicht und der Wärmefluss konstant, kann mit Hilfe der Fourier-Gleichung unter Kenntnis der Messfläche und der Dicke der Probe die WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit berechnet werden (siehe Schema Abbildung 2).
λ Wärmeleitfähigkeit [W/(m∙K)]
d Dicke [mm]
R = d/ λ Thermischer Widerstand [m2∙K/W]
U = 1/R Wärmeübergangskoeffizient [W/(m2∙K)]
Messbedingungen
Eine Naturfaserdämmplatte mit einer Dicke von 4 mm wurde untersucht. Der thermische Widerstand R (R = d/λ) solch dünner Proben stellt für die Messung eine Herausforderung dar. Proben mit einem thermischen Widerstand kleiner als ca. 0,5 m²∙K/W können mit dem HFM (DIN EN 12667) standardmäßig nicht gemessen werden. Der KontaktwiderstandNach dem zweiten Gesetz der Thermodynamik verläuft die Wärmeübertragung zwischen zwei Systemen immer in Richtung von höheren zu niedrigeren Temperaturen. Die Menge an thermischer Energie, die durch Wärmeleitung, z.B. durch eine Gebäudewand, übertragen wird, wird durch die thermischen Widerstände der Betonwand und der Dämmschicht beeinflusst.Kontaktwiderstand zwischen Platten und Probe ist nicht mehr vernachlässigbar und beeinflusst das Ergebnis. Um das Problem des geringen thermischen Widerstands zu überwinden, wurden Messungen mit zwei unterschiedlichen Ansätzen durchgeführt.
- Stapeln von mehreren Proben, erwähnt in DIN EN 12667
- Messung einer Probe mit zusätzlichem externen Thermoelement und Kontaktmatten (Erweiterungsset), beschrieben in DIN EN 12664 für Proben mit einem thermischen Widerstand < 0,5 m2∙K/W
Die Messungen wurden unter Luft bei einer mittleren Probentemperatur von 25 °C durchgeführt. Der Temperaturunterschied zwischen den Platten betrug 20 K. Die Probe wurde unter einem Druck von ca. 2 kPa gemessen.
Stapeln von Proben
Abbildung 3 zeigt die Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit der Gesamtdicke der gestapelten Proben (1 bis 8 Schichten). Die Messdaten sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Im unteren Dickenbereich zeigt die Wärmeleitfähigkeit eine Abhängigkeit von der Dicke. Der KontaktwiderstandNach dem zweiten Gesetz der Thermodynamik verläuft die Wärmeübertragung zwischen zwei Systemen immer in Richtung von höheren zu niedrigeren Temperaturen. Die Menge an thermischer Energie, die durch Wärmeleitung, z.B. durch eine Gebäudewand, übertragen wird, wird durch die thermischen Widerstände der Betonwand und der Dämmschicht beeinflusst.Kontaktwiderstand zwischen der Probe und den HFM-Platten hat Einfluss auf die Ergebnisse (geringere Wärmeleitfähigkeit).
Ab einer Dicke von mehr als 20 bis 24 mm (5 bis 6 Schichten) ist die Wärmeleitfähigkeit konstant und ist nicht mehr von der Dicke abhängig. Dies ist der Bereich, in dem der Kontaktwiderstand vernachlässigbar ist und zuverlässige Messungen möglich sind. Der thermische Widerstand der Probe ist größer als ca. 0,5(m²∙K)/W.
Tabelle 1: Messergebnisse der gestapelten Proben einer 4 mm dicken Naturfaserdämmplatte
Table 1: Measurement results of the stacked samples of a 4-mm thick naterual insulation fiber board
Anzahl der Schichten | Dicke [mm] | Wärmeleitfähigkeit* [W/(m∙K)] | Thermischer Widerstand [(m2∙K)/W] |
|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0,04214 | 0,0958 |
| 2 | 8 | 0,04447 | 0,1812 |
| 3 | 12 | 0,04565 | 0,2582 |
| 4 | 16 | 0,04697 | 0,3387 |
| 5 | 20 | 0,04745 | 0,4214 |
| 6 | 24 | 0,04779 | 0,5021 |
| 7 | 28 | 0,04749 | 0,5906 |
| 8 | 32 | 0,04734 | 0,6757 |
* alle Ergebnisse ± 3 %
Abbildung 4 (thermischer Widerstand in Abhängigkeit der Gesamtdicke) bestätigt die Zuverlässigkeit derMessungen mit gestapelten Proben. Der thermische Widerstand steigt mit zunehmender Dicke linear an. Die lineare Trendlinie ergibt einen R²-Fit von 0,99972 und die Steigung ist ein Indikator für die Wärmeleitfähigkeit (Steigung m = R/d = 1/λ → λ = 0,04855 W/(m∙K)). Dieser Wert stimmt sehr gut mit den Messergebnissen der gestapelten Proben mit einer Dicke größer ~ 20 mm überein, siehe Tabelle 1.
Erweiterungsset
Für Proben mit geringem thermischen Widerstand können Messungen mit dem Erweiterungsset (= externe Thermoelemente und Kontaktmatten) auch eine gute Lösung darstellen. Das Problem des Kontaktwiderstands wird durch die direkte Messung der Oberflächentemperatur gelöst. Für steife Proben ist das Erweiterungsset eine gute Wahl. Da die 4 mm-dicke Naturfaserdämmplatte nicht völlig steif, sondern noch flexible ist, gibt es hier jedoch eine Unsicherheit. Die externen Thermoelemente können in die Probenoberfläche eindringen. Deshalb ist die Dicke (= Abstand zwischen den externen Thermoelementen) nicht genau bekannt. Aufgrund der geringen Dicke von nur 4 mm kann auch eine kleine Penetration hohe Abweichungen im Ergebnis verursachen (relativer Fehler in der Dicke verursacht den gleichen relativen Fehler in der Wärmeleitfähigkeit).
Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse einer Messung mit Erweiterungsset. Im Vergleich zu den Ergebnissen der gestapelten Proben zeigt die Messung einer Schicht mit dem Erweiterungsset einen ca. 10 % höheren Wert. Eine um 10 % höhere Wärmeleitfähigkeit ist höchstwahrscheinlich auf eine um 10 % falsche Schichtdicke aufgrund des Eindringens der externen Thermoelemente (200 μm auf jeder Seite) zurückzuführen. Dies wird durch die Messung an 1 und 2 Schichten mit dem Erweiterungsset und die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit mit angepasster Dicke (= Dicke abzüglich 2 x 200 μm) bestätigt. Die Wärmeleitfähigkeit mit angepasster Dicke stimmt gut mit den Werten der Messungen mit gestapelten Proben überein.
Tabelle 2: Messergebnisse der 4 mm dicken Naturfaserdämmplatte mit Erweiterungsset
Table 2: Measurement results of the 4-mm thick natural fiber insulation board with instrumentation kit
Anzahl der Schichten | Dicke [mm] | Wärmeleitfähigkeit* [W/(m·K)] | Angepasste Dicke [mm] | Wärmeleitfähigkeit mit angepasster Dicke [W/(m∙K)] |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 4 | 0,05281 | 3.6 | 0,04753 |
| 2 | 8 | 0,05071 | 7.6 | 0,04817 |
Zusammenfassung
Die Wärmeleitfähigkeit von dünnen und flexiblen Dämmstoffmaterialien kann mit dem HFM 446 LambdaMedium gemessen werden, indem mehrere Schichten eines Materials für eine ausreichende Dicke gestapelt werden. Eine Messung mit externen Thermoelementen (Erweiterungsset) an flexiblen Proben kann aufgrund des möglichen Eindringens der Thermoelemente in die Probenoberflächen zu höheren Wärmeleitfähigkeitswerten führen.